La question de l'origine de l'univers fascine l'humanité depuis des siècles. Des mythes cosmogoniques aux théories scientifiques modernes, l'homme a cherché à comprendre comment le cosmos a vu le jour. Aujourd'hui, la théorie du Big Bang est le modèle cosmologique dominant, mais elle est loin d'être une histoire complète et définitive. Cet article explore les fondements de la théorie du Big Bang, les preuves qui la soutiennent, ses limites et les questions ouvertes qu'elle soulève, ainsi que les perspectives alternatives.
Le Big Bang : Un Modèle Cosmologique en Évolution
La théorie du Big Bang est l'une des découvertes scientifiques majeures du XXe siècle. Issue des travaux d’Albert Einstein et de nombreux cosmologistes après lui, elle a bouleversé notre conception de l’Univers et, au-delà de son champ scientifique, suscité de nombreux commentaires philosophiques voire théologiques. Dénommée Big Bang par l’un de ses contradicteurs, cette théorie a vu le jour dans les années 1930 avec les travaux du chanoine belge George Lemaître.
Le Big Bang décrit comment l’Univers est « né » d’un amas de matière très dense et très chaud il y a environ 13,8 milliards d’années. L'Univers a une histoire… Avant que le monde soit monde, il a été il y a environ 13,7 milliards d’années très condensé, dense et chaud, avant de s’étendre brutalement. Selon la théorie du Big Bang, à sa naissance, l'Univers est plus petit qu’une tête d’épingle. Et sa densité, sa pression, sa chaleur y sont infinies. Difficile d’imaginer l’énergie présente à cet instant. Puis, en une infime fraction de seconde, il « enfle » de manière extraordinaire. L’expansion se poursuit, la chute du thermomètre aussi.
C'est un prêtre belge du nom de Georges Lemaître qui a proposé pour la première fois la théorie du Big Bang dans les années 1920, lorsqu'il a émis l'hypothèse que l'univers était issu d'un unique atome primitif. L'expression « Big Bang » est inventée en 1949 par un astrophysicien britannique, Fred Hoyle. Il souhaite se moquer de la théorie de Georges Lemaître en parlant de « grand boum ». L’expression est finalement restée !
Le big bang, ce n’est ni une étincelle originelle, ni tout à fait une explosion initiale, mais un modèle cosmologique… Malheureusement, cette théorie fait souvent l’objet d’interprétations abusives, et il n’est pas rare de lui faire dire ce qu’elle ne dit pas.
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Les Piliers de la Théorie du Big Bang
Plusieurs observations majeures soutiennent la théorie du Big Bang :
- L'expansion de l'Univers : En 1929, Hubble montre que les galaxies s’éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance, ce qui suggère un univers en expansion. Cette expansion, extrapolée dans le passé, implique un état initial extrêmement dense et chaud.
- Le fond diffus cosmologique (FDC) : Il s’agit de la première lumière de l’Univers, survenue, tel un coup de flash, 380 000 ans après le Big Bang. Cette lumière subsiste aujourd’hui sous la forme d’un rayonnement uniforme d’ondes radio. le mur de photons: on l’appelle fonds diffus cosmologique et c’est en quelque sorte de la lumière fossile. C’est la première lumière émise, environ 380 000 ans après le Big-Bang, à une époque où l’Univers était plus petit, dense et chaud. Théorisé à la fin des années 40, ce rayonnement « fossile » a été détecté par hasard en 1965 par 2 physiciens américains, alors qu’ils travaillaient sur une nouvelle antenne radio (ce qui leur a valu le prix Nobel de physique).
- L'abondance des éléments légers : Durant les 3 à 20 minutes qui suivent l’explosion primaire du Big Bang, la température continue de diminuer, ce qui permet aux protons et neutrons de s’associer pour former les premiers noyaux d’hydrogène, d’hélium et de lithium. Après les trois premières minutes, celles-ci ont fusionné en noyaux d'hydrogène et d'hélium. En termes de masse, ces derniers représentaient respectivement 75 % et 25 % de la matière de l'Univers primordial. L'abondance de l'hélium est une prédiction clé de la théorie du Big Bang, qui a été confirmée par des observations scientifiques.
- La formation des grandes structures : La théorie du Big Bang, combinée à la présence de matière noire, explique la formation des galaxies, des amas de galaxies et des structures à plus grande échelle que nous observons aujourd'hui.
Les Étapes Clés de l'Évolution de l'Univers selon le Big Bang
D'autres travaux ont permis de clarifier la temporalité du Big Bang. Voici la théorie qui en découle :
L'ère de Planck : Au cours des 10^-43 premières secondes de son existence, l'Univers était très compact, moins d'un million de milliards de milliardièmes de la taille d'un atome. le mur de Planck: c’est la limite au-delà de laquelle les sciences qui étudient l’Univers n’ont plus rien à dire. On le situe à 10-43 secondes après le début de l’expansion. On croit qu'à un tel niveau impensable de densité et d'énergie, les quatre forces fondamentales, à savoir les interactions faibles, fortes, gravitationnelles et électromagnétiques, se sont unifiées en une seule et unique force. Pour y parvenir, il faudrait connaître le fonctionnement de la gravité à l'échelle subatomique, ce qui n'est pas le cas à l'heure actuelle.
L'inflation cosmique : Ensuite, en une fraction de seconde, toute cette matière et cette énergie se sont étendues vers l'extérieur, plus ou moins uniformément, avec d'infimes variations dues à des fluctuations à l'échelle quantique. Ce modèle d'expansion fulgurante, appelé inflation cosmique, pourrait expliquer une telle uniformité au niveau de la température et de la répartition de la matière dans l'Univers. La cause exacte du déclenchement de cette inflation est encore inconnue.
La formation des particules : Lorsque l'Univers a atteint l'âge d'un milliardième de seconde, il s'est suffisamment refroidi pour que les quatre forces fondamentales se séparent les unes des autres. Les particules élémentaires se sont alors formées.
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- Au sein de l'Univers primordial, le rayonnement était si intense que la collision de photons pouvait former des paires de particules composées de matière et d'antimatière, ressemblant en tous points à la matière ordinaire, hormis sa charge électrique opposée. On pense que l'Univers primordial contenait des quantités égales de matière et d'antimatière.
La nucléosynthèse primordiale : Après les trois premières minutes, celles-ci ont fusionné en noyaux d'hydrogène et d'hélium.
La recombinaison : Il faudra encore attendre près de 380 000 ans pour que l'Univers se refroidisse suffisamment afin que des atomes neutres se forment, un moment charnière appelé « recombinaison ». C’est en se refroidissant que l'Univers est devenu transparent pour la première fois, ce qui a permis aux photons qui s'y agitaient de se faufiler sans obstacle.
La formation des premières étoiles et galaxies : Il n'existait pas une seule étoile dans l'Univers jusqu'à environ 180 millions d'années après le Big Bang. C’est le temps qu’il a fallu pour que la gravité rassemble des nuages d'hydrogène et les transforme en étoiles. Les premières galaxies sont nées 300 millions d'années après le Big Bang.
Les Limites de la Théorie du Big Bang et les Questions Ouvertes
Des inconnues demeurent dans la théorie du Big Bang. Qu’est-ce qui l’a provoqué ? Qu’y avait-il avant ? De plus, ce que l’on sait des tous premiers instants, n’a jamais été observé, prouvé. Ce ne sont que des hypothèses scientifiques. Il est en effet impossible de reproduire un Big Bang miniature, de reconstituer les premiers instants de l’Univers, même dans le plus perfectionné des laboratoires.
« C’est une question qui se heurte aux limites de nos connaissances », souligne le chercheur. « Quand on a un modèle, on sait dans quel cadre il s’applique. Mais à ses débuts, l’Univers était aussi extrêmement petit : 10-33 centimètres, plus petit qu’une particule. « La relativité générale et la mécanique quantique ne fonctionnent pas du tout ensemble.
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Plusieurs questions fondamentales restent sans réponse :
- La nature de l'énergie noire et de la matière noire : On pense que cette accélération est due à une force répulsive : l'énergie noire. On ne sait toujours pas ce qu'elle est mais on pense qu'elle représente 68 % de la matière et de l'énergie totales de l'Univers. La matière noire en constitue, elle, 27 %.
- L'asymétrie matière-antimatière : D'une manière ou d'une autre, de la matière excédentaire a subsisté. C’est de cette dernière que sont faits les êtres humains, les planètes et les galaxies. Notre existence constitue le signe évident que les lois de la nature traitent la matière et l'antimatière de manière légèrement différente. Les physiciens tentent encore de comprendre exactement de quelle façon la matière a pu l'emporter dans l'Univers primordial.
- L'origine des fluctuations initiales : La théorie quantique permet qu’une fluctuation quantique du vide soit à l’origine de l’apparition de particules.
Perspectives Alternatives et Évolutions de la Théorie
Bien que le Big Bang soit le modèle dominant, d'autres théories ont été proposées et continuent d'être explorées :
- Les modèles cycliques : L’Univers pourrait bientôt arrêter son expansion et entrer dans une phase de contraction. Avant notre monde, il y en avait peut-être d’autres qui ont connu le même destin, du big bang au big crunch. Dès les années 1920, le physicien et mathématicien russe Alexandre Friedmann soulève l’idée que l’Univers ne se dilate pas indéfiniment mais pourrait alterner entre phases d’expansion et de contraction : il enfle jusqu’à un certain seuil, où la gravité finit par l’emporter sur l’expansion. La dilatation ralentit jusqu’à ce qu’elle s’inverse, ce qui entraîne un effondrement final. L’ensemble de la matière se ramasse alors en un point, et l’Univers est reconduit à un état semblable à celui qui précède le big bang, ce qui produirait une sorte de renaissance de l’Univers. Le big-bang marque autant le début d’un Univers que la fin du précédent… puisque ceux-ci se succèdent indéfiniment !
- La théorie de la fatigue de la lumière : "Il faut bien se rendre compte qu'on n'observe jamais l'expansion. On ne voit pas les galaxies s'éloigner les unes des autres. On voit la lumière qu'elles émettent, et un décalage vers le rouge. Et une des interprétations de ce décalage, c'est qu'il y a une expansion de l'univers. Un certain nombre de physiciens vont contester cette idée-là. Il y a ce qu'on appelle la théorie de la fatigue, de la lumière qui va être développée par Fritz Wicky : il pourrait très bien y avoir une autre interprétation si la lumière parcourt un long chemin. Plus elle parcourt de chemin, plus elle va se fatiguer : la perte d'énergie va correspondre à un décalage vers le rouge.
La Cosmologie Moderne : Un Domaine en Pleine Expansion
Aujourd’hui, le Big Bang est la théorie la plus solide, celle qui colle le mieux aux observations menées par les scientifiques, depuis le sol ou depuis l’espace. De nombreuses missions satellite ont été et sont encore menées pour collecter des informations sur l’histoire de notre cosmos. Le télescope américain James Webb, par exemple, qui tente (entre autres) de capter la lumière des premières étoiles et galaxies. Ou le satellite européen EUCLID, qui permet de regarder plus précisément l’expansion de l’Univers.
La cosmologie moderne est un domaine en constante évolution, alimenté par de nouvelles observations et de nouvelles théories. Les découvertes récentes de galaxies massives dans l'univers jeune, par exemple, remettent en question les modèles de formation des galaxies.
Découverte de Galaxies Noires dans l'Univers Jeune
Une équipe internationale, impliquant des chercheurs du CEA, du CNRS et de l’Université de Paris, a identifié 39 galaxies jusqu’alors inconnues, grâce au télescope Alma. Ces galaxies « adultes » invisibles - dites « noires » -, dont la formation remonte à moins de 2 milliards d’années après le Big Bang, constituent le chaînon manquant pour comprendre l’évolution globale des galaxies massives dans l’Univers.
Une équipe internationale publie une étude dans Nature, le 8 août 2019, révélant l’existence de 39 galaxies invisibles, dites « noires ». Elles constituent le chaînon manquant de l’évolution entre deux populations de galaxies déjà connues : les nombreuses galaxies jeunes et visibles de l’Univers lointain d’une part, et les galaxies « mortes » très massives et moins lointaines d’autre part. À masse égale, les galaxies noires sont dix fois plus abondantes et forment jusqu’à cent fois plus d’étoiles que la première population ! Ces galaxies noires parmi les plus massives de l’Univers jeune1 sont dix fois plus nombreuses que celles observées jusque-là en lumière visible avec le télescope spatial Hubble et sont, selon les chercheurs, les ancêtres des galaxies elliptiques2 plus massives encore que notre Galaxie.
En effet, « ces galaxies détectées par Alma3 constituent probablement la première population de galaxies elliptiques massives formées dans l’Univers jeune », explique David Elbaz, astronome du CEA au laboratoire AIM (Université Paris Diderot/CEA/CNRS) et coauteur de la publication, « mais il y a un problème. Elles sont étonnamment abondantes ». Cette découverte de l’équipe internationale est surprenante. Elle révèle que l’Univers a été capable en moins d’un milliard d’années de donner naissance à des galaxies aussi massives que la Voie lactée. En revanche, il paraît très compliqué d’expliquer, avec les modèles actuels, comment l’Univers a créé avec une très grande efficacité ces galaxies.
Avant d’identifier ces galaxies noires, les chercheurs avaient d’abord remarqué la présence de sources de lumière dans l’infrarouge moyen sur les images du satellite Spitzer, dans des régions où les images de Hubble étaient complètement vides. Le télescope Alma, télescope le plus puissant au monde, basé au Chili dans le désert d’Atacama et composé d’une cinquantaine antennes radio de 12 mètres de diamètre, a permis, en moins de deux minutes, de percer le mystère des taches de lumière. L’abondance de la poussière interstellaire est caractéristique de ces galaxies massives d’époques reculées. La poussière absorbe le rayonnement ultraviolet émis par les étoiles et réémet de la lumière dans l’infrarouge lointain qui est décalée jusqu’aux ondes submillimétriques par l’expansion de l’Univers. La recherche de ces galaxies avait jusqu’à présent échoué car elle reposait essentiellement sur des images dans le domaine visible ou proche infrarouge, où ces galaxies sont totalement invisibles.
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